1,3-二羟基丙酮

【引用】二羟基丙酮生产研究进展

2011-03-13 22:24:06| 分类：默认分类| 标签：|字号大中小订阅

本文引用自云中鹤《二羟基丙酮生产研究进展》

二羟基丙酮或1,3-二羟基丙酮，英文名为1,3-dihydroxyaeetone或dihydroxyacetone，简写为DHA，是最简单的三碳酮糖，外观是白色或类白色粉末状结晶，具有甜、凉的味道，易吸湿并分解。一般状态下是二聚体(1,4-Dioxane)的结晶，能缓慢地溶于1份水中或15份乙醇中，微溶于乙醚，但经溶解或加热则变为单体，其单体易溶于水、乙醇、丙酮和乙醚等有机溶剂，熔点为75~80℃，水溶性>250g·L-1(20℃)，在pH为6.0时稳定，是一种重要的化工、生化原料，医药、农药合成中间体和多功能食品添加剂，用途十分广泛。国内有关DHA的报道很少，其生产目前还是一片空白，而国外DHA已得到了广泛的实际应用。

1 工业生产方法

二羟基丙酮的工业生产方法目前是利用微生物分批发酵。该法是在菌体生长到适当的时期，利用菌体产生的脱氢酶以甘油为底物进行脱氢反应，产生DHA。用于生产DHA的微生物主要是醋酸杆菌属(Acetobacter)和葡萄糖杆菌属(Gluconobacter)微生物，尤其是弱氧化醋酸杆菌(Acetobacter Suboxy-dans)和氧化葡萄糖杆菌(Gluoonobacter Oxydans)。菌种在复苏后先进行预培养，然后转发酵罐扩大培养，待菌种达到一定浓度后，接种到含有甘油的发酵培养基当中，经过60-80h的耗氧发酵后，再将发酵液一次放出，经分离纯化得到DHA。每一个分批发酵过程都经历接种、生长繁殖、菌体衰老进而结束发酵，最终提取出产物。目前已有采用流加甘油方法，在菌体生长到对数期时，并在产物DHA达到一定水平(80-120g·L-1)后，放出部分产物，并补加原料和培养基，这样就可以减少达到生产水平的生物量的时间，提高底物甘油

的利用率，节约成本。

分批发酵的特点是微生物所处的环境是不断变化的，发生杂菌污染，能够很容易终止操作。在发酵生产中，使用的菌种处于对数生长期，把它们接种到发酵罐新鲜培养基时，几乎不出现调整期，这样可在短时间内获得大量生长旺盛的菌体，有利于缩短生产周期。但该法的主要问题是底物甘油和产物DHA在培养基中的浓度过高时(积累达到或超过80-120g·L-1)，产生了高渗透压，使得发酵菌体裂解、失活，从而导

致DHA的产率难以提高。

2 新技术研究进展

2.1 催化氧化法

甘油结构上有伯位和仲位2种羟基官能团，在一定条件及催化剂作用下容易被氧化，但不同催化剂以及不同反应条件对于伯位和仲位上的羟基的氧化选择性也不同。甘油氧化可按照2种路径进行：一种是氧化端位的伯羟基，生成甘油醛；另一种是氧化中间的仲羟基，生成DHA。在氧化过程中，可产生一系列的副产物，如甘油酸、丙醇二酸、丙酮二酸等。可利用贵金属制备不同的金属催化剂，选择性的氧化甘油，从而得到所需要的目标产物，该法经历了2个发展阶段。

2.1.1 单元贵金属催化剂

开始采用的是单元贵金属催化剂(例如钯、铂)，以活性碳为载体，空气氧为氧化剂进行氧化，但反应必须严格控制体系的pH值为酸性(pH为2~4)，才能得到最大的产率。当采用Pd/C催化剂时，大多生成甘油伯位羟基氧化的产物，如甘油酸、丙醇二酸，而对甘油仲位羟基的氧化选择性效果较差，催化剂活性较弱，产品收率仅4%(质量分数)。使用Pt/C催化剂，虽然具有较强的催化能力，但Pt对仲位羟基的氧化选择性也不高，如在37%的甘油转化率下，DHA的选择性也只有10%左右。

2.1.2 双元催化剂

第二阶段采用的是双元催化剂(例如Bi-Pt/C)。研究表明Pt如果与带P电子的金属，尤其是第四主族(Pb)与第五主族(Bi)的共同作用，则对仲位羟基的氧化选择性会大大提高。如Kimura等公布的一项研究结果表明，当催化剂是1%Bi-5%Pt/C时，一批反应中DHA的产率为20%，当催化剂是0.6%Bi-3%Pt/C 时，在一个混合床反应器中，甘油转化率为40%，DHA的产率为25%。Kimura等人随后又报道了以Bi-Pt 硼粒炭作催化剂，采用固定床反应器，进行连续式操作反应，产品的选择性突增至80%，DHA的产率可以达到32%。而Gallezot等人同样选用Bi-Pt体系，但保持酸碱性恒定，在60℃和pH=2时，甘油转化率达到了60%，DHA的选择性达到50%。这可能是由于Bi原子吸附的氧在催化剂表面形成Pt-Bi-OH物种，这种吸附态充当另一种活性中心，从而催化氧化吸附于Pt上的甘油分子，除了能提高氧化反应的速度，还能改善反应的选择性。此外，Bi的促进作用也降低了醇氧化过程中催化剂的还原电势，阻止产物DHA的

进一步氧化。

Demirel等人最近报道了采用Au-Pt/C作催化剂，在常压下以分子氧作氧化剂，并且使反应在恒定的pH值下进行(pH=12)，当采用0.8%Au-0.2%Pt时，甘油的转化率为50%，DHA的选择性已从26%(Au/C)增加到36%。Rosaria等人则采用电催化氧化甘油制DHA，其产率最高可达35%，开辟了一条新的甘油催化氧化路径。而我国的谢艳丽，赵振东等合成了一系列贵金属多元催化剂，采用催化剂5%Bi-9%Pt/C可以有效地将甘油催化氧化成DHA，反应温度为55℃，反应时间为50h时，甘油全部转化，DHA的产率为

50.05%，这可能是目前报道的甘油催化氧化制备DHA的最高产率。

甘油催化氧化法是一条经济、绿色的制备DHA的工艺路线。但是，目前这个反应的产率还不是很高，反应结束后体系中尚余大量未转化的甘油，因此从甘油的部分氧化产物中分离纯化DHA比较麻烦，还有待

进一步研究。

2.2微生物转化法

自从1848-1849年Bertrand发现某些微生物能将甘油转化为DHA并鉴定该微生物为醋酸杆菌后，醋酸杆菌中甘油的代谢途径及微生物法生产DHA就开始被研究。现在已知的制备DHA的方法是醋酸杆菌生长细胞在完全培养基中批次发酵转化甘油生成DHA，但是因底物和产物的反馈抑制作用导致产率还不高。因此微生物转化生产DHA水平的提高，还要依赖于菌种选育和发酵工艺(培养基和培养条件)的优化、改进培养方式、连续培养等都是获得高产过程的重要手段。

2.2.1 选育高活性的菌种

微生物转化甘油生产DHA的机理是利用微生物代谢产生的甘油脱氢酶，使甘油分子结构仲位上的羟基进行脱氢反应而生成DHA，因此凡是能够利用甘油，并且具有相应的甘油脱氢酶系的微生物，都可以转化甘油生产DHA。目前国外已经从多种微生物中提取出甘油脱氢酶，并对其进行了深入的研究，在我国

也已成为可能。

华东理工大学魏东芝等构建了一种全新的基因工程菌，该菌株为用重组基因工程质粒pET-gdh和pET-ndh转化的大肠杆菌，开辟了利用基因工程菌生产DHA的先例。利用该工程菌生产DHA，提高了DHA 的转化率，同时收集到的菌体经处理后可循环利用，降低了生产成本，缩短了发酵时间。浙江工业大学的郑裕国等人在生物法DHA的研究中，已筛选到新的能产生甘油脱氢酶的微生物菌株，如葡萄牙棒孢酵母(Clavispora lusitani-ae)、膜醭毕赤酵母(Pichia membranifaciens)、地衣芽孢杆菌B-05571(Bacillus licheniformis B-05571)。利用这种微生物生产DHA，在较佳工艺条件下，甘油的转化率最高可达90%，DHA平均浓度达到50～80g·L-1以上，提取率达到80%以上，并申请了国家发明专利，已完成多批次50～100L生物反应器实验，现正进行20～60t发酵罐的产业化前期试验。

2.2.2 改进培养方式

传统的生长细胞发酵生产DHA虽有较高的转化率，但发酵产品中水溶性的杂质很多，如培养基的营养成分、细胞的代谢副产物等，导致其后的提取工艺比较麻烦，因为DHA只有在很纯的水溶液中才能结晶出来，因此改进培养方式如静息细胞法或固定化细胞法生产DHA具有重要意义。

Juraj等人采用静息细胞法研究发现，用甘油作为底物转化的最适温度为30℃，随着温度的升高酶的活性下降，最适pH为5.5-6.0。甘油的浓度为1.5 mol·L-1时，加入适量的菌体(6 mg·mL-1)，可以将甘油完全转化为DHA。冯屏、周家春等人利用弱氧化醋酸杆菌静止细胞发酵甘油制备DHA，改变培养条件，结果表明，处于非生长期的弱氧化醋酸杆菌在相当一段时间内表现出稳定的高氧化活性，DHA转化周期缩短，获得了较高产率。其优化培养条件为：甘油浓度60-90 g·L-1，pH6.5，种龄40h，接种量2.0g·L-1(以干细胞计)，摇床转速200r·min-1。甘油转化率为94%，转化时间4-6h，体积产率为14.1g·(L·h)-1。

Wei等人对固定化细胞法生产DHA进行了研究，结果表明，用聚丙酰胺固定化细胞比卡拉胶固定化细胞取得的效果好。固定化细胞相对于非固定化细胞生产时，可以容耐较宽的pH值范围，固定化细胞的最适pH值为4.0-5.5，而没有固定化的细胞的最适pH值为5.5。固定化细胞对温度更为稳定，固定化培养温度以35℃为宜，用来生产DHA的最佳甘油浓度为0.3-0.5mol·L-1。

2.2.3连续培养法

在分批发酵生产过程中，高浓度的甘油和随之产生较高浓度的DHA对脱氢酶的抑制作用，造成氧化活性的下降，对生物转化有一定的影响，不仅转化率下降，且不利于DHA的分离提取。为了提高甘油的

转化率而采用连续培养的方法。

Nobuhiko等人对多阶反应器连续生产DHA进行了研究，第一阶反应器用于细胞增殖，第二阶反应器用于酶反应或氧化反应，第三阶反应器用于产物的分离。结果表明，利用多阶反应器生产DHA，可分别创造适合微生物细胞生长及产物生成的良好环境，避免了高浓度底物、高浓度DHA对细胞生长及甘油到DHA转化过程的抑制作用，实现了细胞的充分增殖与产物的生成，可以得到稳定的DHA产率。

我国的冯屏、周家春等利用膜生物反应器(MBR)连续培养发酵制取DHA，通过膜的选择性滤过作用，及时引出产物，可在有效地实现生物反应的同时，进行产物的分离，避免了产物DHA在菌体细胞周围的高浓度积累，消除了产物对菌体的抑制，获得较高的催化稳定性，大大简化了后续分离纯化过程。研究结果表明，连续发酵制取DHA的最适条件为甘油浓度60g·L”，玉米浆和蛋白水解液浓度为0.5 g·L-1，稀释率为0.067h-1，其体积产率较分批发酵提高2-3倍，连续发酵时间可达到400h。

微生物转化法生产DHA具有专一性强、反应条件温和、底物利用率高、转化率高和副产物少等优点，而且微生物发酵制备的DHA还可应用于食品和医药工业等领域，该技术日趋成熟。从技术的经济性和环境的友好性角度来看，该法更具有经济效益和社会效益。

2.3 甲醛缩合法

甲醛缩合法是指在含有含氮杂环化合物的盐和质子接受体的缩合催化剂体系存在下，于基本上无水的液体反应介质中进行甲醛的自缩合反应，生成DHA或其二聚物或低聚物。适宜的含氮杂环化合物的盐为噻唑铺盐或咪唑锚盐，以脂肪族、芳香族或杂环噻唑锚盐为佳。这类盐具体指卤化物，尤其是溴化物和碘化物盐；质子接受体包括胺类、含有碱性氧原子的化合物和金属醇盐。该二者以缩合催化剂体系的活性和

与DHA易于分离为最佳组合效果。

2.3.1 早期研究

自从1861年Butlerow首次报道甲醛在碱存在下可生成糖类及其同系物(亦称聚糖反应)以来，人们不断探索提高目的产物的选择性，但是研究进展缓慢。Niitsu等人曾以Ca(OH)2为催化剂进行甲醛水溶液的聚糖反应，发现产物中主要是C2~C7的直链糖和支链糖，其组分多达47种，反应液是一种糊状糖浆，无

法通过普通方法进行分离提纯，因此无工业应用价值。这主要是因为早期研究基本上局限于采用无机碱作催化剂和以甲醛水溶液作原料，导致副反应增多，如甲醛在反应初期发生醇醛缩合反应生成乙醇醛；糖分子内或糖分子间的羰基重排可逆反应等，DHA的选择性低于10%。

2.3.2 新发展

20世纪80年代以来，以Matsumoto为代表的科学家们在总结过去工作的基础上，进行了一系列技术上的重大改进：以有机碱代替无机碱作为催化剂，并向有机碱中添加少量多羟基醛(如果糖)；以有机溶剂代替水溶剂；以无水甲醛(如多聚甲醛)代替甲醛水溶液作为原料；以叔胺之类的含氮化合物作助催化剂。通过改进，显著提高了DHA的选择性(从早期的10%以下提高到接近90%)，而且副产物数量大为减少。例如：以多聚甲醛为原料，以N,N-二甲基甲酰胺(DMF)或二氧杂环己烷为溶剂，以3-乙基苯并噻唑溴化物为催化剂，以三乙胺或奎宁环为助催化剂，在原料配比甲醛：催化剂：助催化剂=30：1：1(摩尔比)，反应温度100℃和常压下反应0.5～1h，甲醛转化率为98%~99%时，DHA选择性达89%~92%。

21世纪以来，英国的BP化学公司和BCI公司，日本的旭化株式会社等均进行了大量的技术研究开发工作。BP公司还进行了甲醛制DHA连续运行试验，在中试阶段连续生产试验中，又进行了几项重大技术改进，连续实验稳定运行128h，结果表明，当甲醛转化率约30%时，产物DHA的选择性稳定在93%~97%范围内，使新工艺趋于稳定运行，并逐步接近工业化。

甲醛缩合法最大的优点是原料为简单易得的甲醛，经济上具有显著的竞争优势，已进入中试阶段，可望在不久的将来会实现工业化生产，然而我国的甲醛聚糖研究尚未进入实质性实施阶段，更没有工业生

产装置。

3 用途

二羟基丙酮的用途主要分为2类：直接用途和间接用途(化学中间体)。

3.1 直接用途

二羟基丙酮是一种天然存在的酮糖，具有生物可降解性，可食用且对人体和环境无毒害，是一种具有多功能的添加剂，可用于化妆品、医药和食品行业。

3.1.1 用于化妆品工业

二羟基丙酮主要用作化妆晶的配方原料，尤其作为防晒霜有特殊效果，能阻止皮肤水分的过度蒸发，起到保湿、防晒和防紫外线辐射的作用。另外，DHA中的酮官能团可与皮肤角蛋白的氨基酸和氨基基团起反应形成褐色聚合物，使人们皮肤产生一种人造褐色，所以还可用作日晒肤色的模拟剂，得到看起来与长时间暴露于太阳光下所得结果一样的棕色或棕褐色的皮肤，使其看上去很美。

3.1.2 提高猪的瘦肉率

二羟基丙酮是糖代谢的中间产物，在糖代谢过程中起着重要作用，具有降低猪体脂肪的作用，提高瘦肉率。日本科技人员经过试验证明，在猪饲料中加入一定量的DHA和丙酮酸盐(钙盐)的混合物(按3：1的重量比配合)，能减少猪背肉的脂肪含量12%～15%，腿肉和背最长肌肉的脂肪含量也相应减少，蛋白质

含量增高。

3.1.3 用于功能性食品

补充二羟基丙酮(特别是和丙酮酸联用)能够提高机体代谢率和脂肪酸氧化，可潜在地有效燃烧脂肪而降低体脂和延缓体重获得(减肥作用)，并减少相关疾病的发病率，也可以改善胰岛素敏感性和降低高胆固醇膳食所致的血浆胆固醇水平，长期补充可使血糖利用率增加而节省肌糖元，对运动员则可以提高有氧耐

力成绩。

3.1.4 其它用途

二羟基丙酮还可直接作为一种抗病毒试剂，如在鸡胚胎培养中，使用DHA能大大抑制鸡瘟病毒的感染，杀死51%～100%的鸡瘟病毒。在制革工业中，DHA可作为皮革制品的保护剂。另外，以DHA为主要成分的保鲜剂可用于果蔬、水产品、肉制品的防腐保鲜等。

3.2 间接用途

二羟基丙酮分子中含有3个官能团(2个羟基、1个羰基)，化学性质活泼，能广泛参与诸如聚合、缩合等反应，是一种重要的医药、农药合成中间体。与脒、亚胺基醚类等物质反应，可制得眯唑、呋喃等杂环化合物；通过酯化反应可制得各种甘油三酯；还可合成酮位取代化合物。其衍生物也是有机合成化学中一类非常重要的中间体，用途极其广泛：经生物或化学法还原可得到具有光学活性的仲醇；用于羟醛缩合反应制取各种手性化合物；直接用于光化学反应中的Diels-Alder加成反应制备糖类化合物；与2,2-二烷氧基环丙烷衍生物作用制备内酯。此外，以其衍生物为中间体合成的一些化合物，还具有治疗心血管疾病、

糖尿病和抗病毒活性(如艾滋病)的作用等。

4 结语

二羟基丙酮是一种吨位不大的精细化学品，在化工、制药、化妆晶和食品工业上具有广泛的用途，而且价格昂贵，利润空间和市场潜力很大。国内利用DHA作为化工原料和医药中间体，后续开发的产品种类很多，而且这些产品的市场容量也很大。目前国内对DHA的需求量已超过1000t·a-l，预计随着生产成

本的降低，其需求量将进一步扩大。

国内目前对二羟基丙酮生产的研究主要集中在微生物发酵法，但是发酵生产菌种的产率还不是很高，较低的产物浓度导致后续分离提取工艺也比较麻烦，分离提取占总成本的大部分，用于工业化生产相对来说成本一定会比较高。因此目前迫切需要选育耐高甘油浓度、耐高DHA浓度、具有高酶活性的菌种，以提高甘油转化成DHA的产率。另一方面，优化发酵工艺，创造适合菌体生长和甘油脱氢酶转化活性的最佳条件，充分发挥高产菌种的生产潜力，提高发酵产量，并开发低能耗的发酵与提取工艺，简化DHA后处理工序，提高其分离提取收率，以降低生产成本，早日实现国内工业化，满足国内外市场对DHA的需求。